生物質(zhì)顆粒燃料具有高效、潔凈、點(diǎn)火容易、C02近似零排放等優(yōu)點(diǎn)，可替代煤炭等化石燃料應(yīng)用于炊事、供暖等民用領(lǐng)域和鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域，近幾年來在歐盟、北美、中國(guó)得到了迅速發(fā)展。尤其是在瑞典，顆粒燃料生產(chǎn)、消費(fèi)一直呈上升趨勢(shì)，每年以8%～10%的速度增加，2008年瑞典生物質(zhì)顆粒燃料消耗量達(dá)到185萬噸，顆粒燃料產(chǎn)業(yè)取得了巨大發(fā)展。我國(guó)自2006年以來，相繼出臺(tái)了一系列促進(jìn)可再生能源發(fā)展的法律、政策、規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)等，促進(jìn)了我國(guó)生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展，但相比歐盟國(guó)家，我國(guó)的生物質(zhì)成型燃料剛剛進(jìn)入市場(chǎng)化推廣初級(jí)階段，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備。
生物質(zhì)顆粒燃料的一大優(yōu)點(diǎn)就是能夠應(yīng)用于小型生物質(zhì)鍋爐中，通過顆粒燃燒器能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)燃燒。目前，在歐美等國(guó)家，一般居民家用的生物質(zhì)顆粒燃料及配套的高效燃燒設(shè)備已經(jīng)非常普及，但這些生物質(zhì)顆粒燃料以木質(zhì)顆粒燃料為主，具有熱值高、灰分低、燃燒后不易結(jié)渣等優(yōu)點(diǎn)，而我國(guó)的生物質(zhì)成型燃料以農(nóng)作物秸稈為主，與瑞典的木質(zhì)顆粒燃料相比，在物理特性、化學(xué)組分方面有著較大差別，導(dǎo)致燃燒特性存在差異，因此對(duì)成型設(shè)備、燃燒設(shè)備的技術(shù)、工藝參數(shù)的要求也不同。
本文采用歐盟生物質(zhì)固體成型燃料標(biāo)準(zhǔn)( CEN/TC335)試驗(yàn)分析中瑞兩國(guó)10種不同生物質(zhì)顆粒燃料的參數(shù)，包括顆粒燃料的物理特性以及燃燒后灰渣的化學(xué)組分等，同時(shí)重點(diǎn)對(duì)中國(guó)典型的秸稈類顆粒燃料與瑞典的木質(zhì)顆粒進(jìn)行對(duì)比，分析其對(duì)燃燒特性的影響。
1、試驗(yàn)
選取瑞典生產(chǎn)的生物質(zhì)顆粒燃料和中國(guó)生產(chǎn)的生物質(zhì)顆粒燃料為試驗(yàn)燃料，分別在瑞典SP技術(shù)研究所生物質(zhì)顆粒燃料檢測(cè)中心和農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院生物質(zhì)顆粒燃料檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。
1.1試驗(yàn)燃料
試驗(yàn)燃料包括瑞典和中國(guó)典型的10種生物質(zhì)顆粒燃料。目前瑞典生物質(zhì)顆粒燃料以林業(yè)剩余物為主，選擇市場(chǎng)上常見的木質(zhì)顆粒，主要是由刨花加工而成，同時(shí)選取油菜稈、蔚草、麥稈以及樹皮4種顆粒燃料作為對(duì)比分析，前3種顆粒燃料于2009年5月由瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程中心生產(chǎn)，樹皮顆粒燃料由造紙工業(yè)用樹皮加工而成。木質(zhì)顆粒、樹皮顆粒燃料來自瑞典Sodra Cell公司，顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8 mm，長(zhǎng)度10～30 mm。
我國(guó)的生物質(zhì)顆粒燃料主要以農(nóng)作物秸稈為主，選擇目前市場(chǎng)上常見的玉米秸稈顆粒燃料，同時(shí)選取棉稈、麥稈、落葉松、混合木質(zhì)（楊樹、桃樹和紅松的混合物）等作為對(duì)比分析，所用生物質(zhì)顆粒燃料于2009年7月在北京大興禮賢生物質(zhì)顆粒燃料公司生產(chǎn)，由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院研制的485型生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)壓制而成，顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8mm，長(zhǎng)度10-30 mm。
1.2試驗(yàn)儀器與方法
試驗(yàn)方法按照歐盟CEN/TC 335固體生物質(zhì)燃料技術(shù)規(guī)范進(jìn)行測(cè)定，該規(guī)范主要針對(duì)木質(zhì)顆粒燃料，青島拋丸機(jī)并于2006年開始向歐盟標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。
主要試驗(yàn)儀器包括：GJ -2型密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)、XL -1型箱式高溫爐、電熱鼓風(fēng)干燥箱、Vario EL元素分析儀、ZDHW -5型微機(jī)全自動(dòng)量熱儀、HR - A5型微機(jī)灰熔點(diǎn)測(cè)定儀、VISTA - MPX型離子發(fā)射光譜儀、SZ11 -4型往復(fù)式自動(dòng)振篩機(jī)、BSA223S - CW型分析天平、PL2002型電子天平等。
1.3測(cè)試參數(shù)
(1)堆積密度：根據(jù)單位標(biāo)準(zhǔn)體積的凈質(zhì)量來計(jì)算堆積密度。
(2)顆粒密度：稱取一定量的生物質(zhì)固體成型燃料樣品，通過測(cè)定樣品在空氣中質(zhì)量與在隨后液體中測(cè)定質(zhì)量的差值，來測(cè)定浮力，計(jì)算出樣品的體積，再計(jì)算出生物質(zhì)固體成型燃料的顆粒密度。
(3)全水分：將生物質(zhì)固體成型燃料樣品置于105℃的溫度下干燥至質(zhì)量恒定，拋丸機(jī)然后根據(jù)樣品質(zhì)量損失并修正浮力作用計(jì)算出全水分。
(4)灰分：樣品在(550±l0)℃加熱后剩余物的質(zhì)量占樣品總質(zhì)量的百分比來測(cè)定灰分。
(5)揮發(fā)分：樣品在(900±10)℃隔絕空氣的環(huán)境中加熱7 min，扣除水分質(zhì)量損失后，樣品質(zhì)量損失占樣品質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)來計(jì)算揮發(fā)分。
(6)機(jī)械耐久性：通過可控的振動(dòng)，在試驗(yàn)樣品之間、樣品與測(cè)試器內(nèi)壁之間發(fā)生碰撞后，將已磨損和細(xì)小的顆粒分離出來，根據(jù)剩余的樣品質(zhì)量計(jì)算機(jī)械耐久性。
(7)熱值：將樣品在自動(dòng)量熱儀中燃燒測(cè)量其熱值。
(8)灰熔融性：將生物質(zhì)顆粒燃料放在高溫爐中加熱，根據(jù)灰錐形態(tài)變化確定軟化溫度(DT)、變形溫度(ST)、半球溫度(HT)和流動(dòng)溫度(FT)。一般用ST評(píng)定灰熔融性。
(9)元素分析：包括C、H、O、N、S、CI，其中C、H、0、N、CI測(cè)試是將生物質(zhì)顆粒燃料燃燒后通過氣體色譜儀進(jìn)行分離，再通過元素分析儀分離檢測(cè)其含量，S通過定硫儀檢測(cè)。
(10)灰渣的化學(xué)組成成分：燃燒后測(cè)試灰分，同時(shí)測(cè)量其灰渣中化學(xué)組成成分，測(cè)試金屬元素包括Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na等。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 物理特性
測(cè)試后的生物質(zhì)顆粒燃料的物理特性如表l所示。
(1)密度
顆粒燃料的堆積密度能夠影響能量密度，也影響生產(chǎn)者和消費(fèi)者的運(yùn)輸成本和儲(chǔ)藏成本。瑞典生物質(zhì)顆粒燃料除樹皮的堆積密度大于瑞典生物質(zhì)顆粒燃料的標(biāo)準(zhǔn)( SS187120) -級(jí)顆粒的參考值( 600 kg/m3)以外，其他的為535 - 590 kg/m3，但均滿足二級(jí)顆粒燃料的標(biāo)準(zhǔn)要求(≥500 kg/m3)，其中麥稈顆粒燃料的堆積密度最低。我國(guó)的生物質(zhì)顆粒燃料的堆積密度為532 - 568 kg/m3，也均低于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考值，但都能滿足二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。
生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒密度能夠影響堆積密度和燃燒特性，顆粒密度越大，燃燒持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。瑞典木質(zhì)顆粒燃料和樹皮顆粒燃料的顆粒密度能夠滿足SS187120的參考值(>1.12 g/cm3)要求，分別為1. 18和1.14 g/cm’，其他3種均低于該標(biāo)準(zhǔn)參考值；我國(guó)的生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒密度除麥稈的為1. 08 g/cm3以外，其余均在1. 12 g/cm3以上。
(2)機(jī)械耐久性
機(jī)械耐久性是顆粒燃料非常重要的參數(shù)，因?yàn)樵谟脩暨\(yùn)輸、儲(chǔ)藏過程中，機(jī)械強(qiáng)度較低的顆粒燃料容易破碎，導(dǎo)致粉末增加，影響進(jìn)料，同時(shí)在燃燒過程中，還影響煙氣的排放。瑞典生物質(zhì)顆粒燃料標(biāo)準(zhǔn)中要求顆粒燃料的機(jī)械耐久性大于95%，結(jié)果表明所有的顆粒燃料均能滿足要求，瑞典的顆粒燃料中，木質(zhì)顆粒機(jī)械耐久性最高，為97. 8%，但其他幾種顆粒燃料相差不大。我國(guó)的燃料也具有較高的機(jī)械耐久性，表明我國(guó)秸稈類顆粒燃料的成型技術(shù)已經(jīng)能夠滿足要求。
(3)低位發(fā)熱量
不同原料的顆粒燃料發(fā)熱量差異較大，瑞典木質(zhì)顆粒燃料的發(fā)熱量為19.13 MJ/kg，而其他顆粒燃料的發(fā)熱量均低于木質(zhì)顆粒，但均高于標(biāo)準(zhǔn)的參考值16.9 MJ/kg。我國(guó)的木質(zhì)顆粒燃料的發(fā)熱量在13. 15 - 16. 83 MJ/kg之間，其中棉稈最低，為13. 15 MJ/kg。相比瑞典木質(zhì)燃料的發(fā)熱量，我國(guó)玉米秸稈顆粒燃料的發(fā)熱量要低20.9%。
(4)工業(yè)分析
工業(yè)分析包括全水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳。從表1可知，除草顆粒燃料以外所有的顆粒燃料的水分都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。尤其是瑞典木質(zhì)顆粒最低，全水分為6.5%，相比木質(zhì)顆粒，秸稈類顆粒燃料的全水分較高，尤其是瑞典草顆粒燃料，全水分為j2%。這與成型工藝有關(guān)，鋸末全水分較高，一般超過50%，因此在成型前需要進(jìn)行干燥，含水率在8%～10%再進(jìn)行擠壓成型；而我國(guó)的秸稈原料經(jīng)過預(yù)處理后，成型前含水率在10%～20%，但能夠滿足成型要求。
生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分通常是較高的，術(shù)質(zhì)顆粒燃料的一般在76%～86%之間。瑞典木質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分為85.1%，而我國(guó)棉稈的揮發(fā)分僅為62.33%。
瑞典木質(zhì)顆粒中的灰分最低，僅為0.3%，其次是樹皮顆粒，為3. 4qo，其他的秸稈類顆粒燃料較高；而我國(guó)的棉稈顆粒燃料灰分最高，為21. 69%，其次是麥稈，為9. 95%，玉米秸稈顆粒燃料與瑞典的秸稈類顆粒燃料灰分相差不大。
對(duì)于顆粒燃料中的固定碳，瑞典樹皮顆粒的較高(14.1%)，而草的較低，為4.1%，其他的生物質(zhì)顆粒燃料相差不大，在60-10~9%之間。
2.2元素分析
生物質(zhì)顆粒燃料C、H、0質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示，從表中可以看出，除我國(guó)的棉稈顆粒燃料C質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低外，其他顆粒燃料相差不大，在45% - 50%之間，瑞典木質(zhì)顆粒燃料和樹皮顆粒燃料的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為50.6%和52.5%；對(duì)于H，所有顆粒燃料相差不大，基本保持在6%左右。對(duì)于0含量，所有顆粒燃料相差不大，保持在40%左右。
對(duì)于不同顆粒燃料中的CI、S、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，從表2中可看出，木質(zhì)燃料的CI、S、N要遠(yuǎn)低于秸稈類顆粒燃料，其中棉稈顆粒燃料最高，其次是玉米秸稈顆粒燃料。
瑞典木質(zhì)顆粒燃料中N僅為0. 1%，遠(yuǎn)低于其他顆粒燃料，革顆粒燃料最高，為0. 59%；我國(guó)的棉稈顆粒燃料中的N最高，其次是玉米秸稈，分別為1. 55%、0.98%。顆粒燃料中N較高，在燃燒過程中，將產(chǎn)生較高的NOx，這在Ohman M的試驗(yàn)中已經(jīng)證明，由于草顆粒燃料中的N比木質(zhì)顆粒高，導(dǎo)致燃燒后煙氣中產(chǎn)生較多的NOx。
在瑞典木質(zhì)、樹皮顆粒燃料中的S、Cl是較低的，低于0. 01%，而油菜稈、草和麥稈是較高的，尤其是在麥稈中，Cl為0.71%。而我國(guó)玉米秸稈中的S為0. 21%，遠(yuǎn)高于瑞典木質(zhì)顆粒。
2.3灰分、灰熔融性
由表3可知，瑞典木質(zhì)顆粒燃料灰分最低，僅為0.3%，但草、麥稈類的灰分較高，與我國(guó)的玉米秸稈、麥稈相差不大，但我國(guó)的棉稈顆粒燃料灰分最高，為21. 69%。
瑞典木質(zhì)、樹皮、油菜稈以及藤草顆粒燃料的變形溫度在1 340℃以上，其灰熔點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到作為燃料使用的要求，屬于難熔性灰，尢其是木質(zhì)顆粒的灰熔點(diǎn)達(dá)到了l550℃。因此在燃燒過程中難以結(jié)渣，而麥稈的變形溫度僅為990℃，屬于易熔性灰。
我國(guó)5種生物質(zhì)顆粒燃料中除落葉松的灰熔點(diǎn)較高(1389℃)能夠達(dá)到難熔性以外，其他的顆粒燃料灰熔點(diǎn)在l 198~1 213℃，屬于可熔性灰，因此在燃燒過程中容易結(jié)渣，而且灰分也較高。
2.4灰渣中化學(xué)成分
對(duì)各種生物質(zhì)顆粒燃料燃燒后的灰渣以及灰分進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)渣最嚴(yán)重的是我國(guó)的玉米秸稈、麥稈、棉稈和瑞典的葫草顆粒燃料，其次是瑞典的麥稈和我國(guó)的混合木質(zhì)顆粒燃料，而瑞典的木質(zhì)顆粒燃料結(jié)渣現(xiàn)象最輕。
燃燒后瑞典生物質(zhì)顆粒燃料灰渣中化學(xué)成分如圖l所示。木質(zhì)、樹皮、油菜稈顆粒燃料灰渣的化學(xué)成分主要以Ca、K、Si為主，Ca最高，超過20%；木質(zhì)、樹皮顆粒Al較高，其中木質(zhì)顆粒中Al為7. 7%；草顆粒中Si最高，達(dá)到35%，其他化學(xué)成分較低；麥稈中主要以K、Si為主，Si達(dá)到13%。
我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料灰渣中化學(xué)成分如圖2所示。我國(guó)的落葉松、混合木質(zhì)顆粒灰分也是以Ca、K、Si為主，與瑞典木質(zhì)顆粒燃料相比，灰分中的Si較高；秸稈類顆粒燃料灰分中Si最高，基本在25%左右或更高，除Si元素外，秸稈類顆粒燃料中的堿金屬元素(K)及堿土金屬元素(Ca、Mg)也較高，尤其是麥秸的K元素高達(dá)14. 17%。
2.5討論
試驗(yàn)結(jié)果表明，瑞典的木質(zhì)、樹皮顆粒燃料能夠滿足瑞典生物質(zhì)顆粒燃料標(biāo)準(zhǔn)要求，我國(guó)的秸稈類顆粒燃料總體性能要低于瑞典顆粒燃料，但在堆積密度、顆粒密度、機(jī)械耐久性等物理特性方面相差不大，這說明我國(guó)在秸稈類顆粒燃料成型技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際水平，完全滿足要求。
發(fā)熱量方面，瑞典的木質(zhì)顆粒燃料比其他樹皮、油菜稈、草、麥稈等顆粒燃料的發(fā)熱量要高7% -10%。這主要是由于木材的物理特性要優(yōu)于秸稈，木質(zhì)顆粒燃料具有較高的揮發(fā)分和灰熔點(diǎn)，揮發(fā)分含量為85.1%。揮發(fā)分的含量將影響熱分解和燃燒特性，在燃燒過程中揮發(fā)分將有利于生物質(zhì)燃料的主要部分被蒸發(fā)，因此燃燒過程中易著火，且灰分少(0.3%)，同時(shí)C和H作為顆粒燃料的重要組成部分，木質(zhì)顆粒中的碳含量是較高的，分別為50. 6%和52.5%，這也是其熱值要比秸稈原料顆粒燃料高的原因。我國(guó)林業(yè)資源匱乏，目前我國(guó)的生物質(zhì)顆粒燃料主要以玉米秸稈類為主，由于秸稈物理特性劣于木材，揮發(fā)分和灰熔點(diǎn)較低，燃燒后灰分較高，我國(guó)玉米秸稈顆粒燃料發(fā)熱量較低，僅為15. 13 MJ/kg，比瑞典木質(zhì)顆粒燃料低20.9%。
通過對(duì)各種顆粒的元素分析可知，秸稈類顆粒燃料的CI、S，N含量較高，這可能導(dǎo)致燃燒后煙氣中較高的NOx，同時(shí)可能導(dǎo)致對(duì)燃燒設(shè)備有侵蝕。
一般來說，燃料中Si元素含量越高，燃燒后結(jié)渣趨勢(shì)越明顯，另外堿金屬元素(K、Na)含量越高，燃料結(jié)渣趨勢(shì)越明顯+；堿土金屬(Ca、Mg)含量越高，燃料結(jié)渣趨勢(shì)越小。通過燃燒后對(duì)灰渣的化學(xué)成分分析可知，瑞典木質(zhì)顆粒燃燒后灰渣主要以Ca、K、Si為主，其中Ca占45%，而Si占7%，因此燃燒后結(jié)渣現(xiàn)象不明顯；而我國(guó)的玉米秸稈顆粒燃料燃燒后灰渣中的Si為27.7%，比瑞典木質(zhì)顆粒高20%，另外相比瑞典木質(zhì)顆粒燃料，秸稈類顆粒燃料的灰熔點(diǎn)較低，因此燃燒后也發(fā)現(xiàn)秸稈類顆粒燃料灰分較高、結(jié)渣嚴(yán)重。因此針對(duì)秸稈類顆粒燃料，在選擇燃燒設(shè)備（如鍋爐、燃燒器）時(shí)應(yīng)充分考慮燃燒后的清渣裝置。
3、結(jié)論
(1)瑞典的木質(zhì)顆粒燃料性能指標(biāo)能夠完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)熱量、揮發(fā)分較高，我國(guó)玉米秸稈顆粒燃料性能指標(biāo)略低于瑞典木質(zhì)顆粒燃料，但能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2)瑞典木質(zhì)顆粒燃料發(fā)熱量為19. 13 MJ/kg，相比樹皮、油菜稈、藤草、麥稈等顆粒燃料高7% -10%。我國(guó)玉米秸稈顆粒燃料發(fā)熱量為15. 13mj/kg，比瑞典木質(zhì)顆粒燃料低20.9%；
(3)瑞典木質(zhì)顆粒灰熔點(diǎn)較高，燃燒后灰渣中的Ca占45%、Si占7%，而我國(guó)玉米秸稈顆粒燃料灰渣中Si為27. 7%，因此瑞典木質(zhì)顆粒燃燒后灰分少、灰渣少，我國(guó)的玉米秸稈顆粒燃料燃燒后灰分較高、結(jié)渣現(xiàn)象比較嚴(yán)重。
(4)針對(duì)秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料的特性，建議在生產(chǎn)過程中添加相關(guān)的抗結(jié)渣劑，以降低燃燒過程中的結(jié)渣現(xiàn)象、減少顆粒排放等，同時(shí)研究開發(fā)具有破渣、清灰機(jī)構(gòu)的生物質(zhì)顆粒燃燒器，以適應(yīng)我國(guó)秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料。
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